ЭВМ: ЧТО? ГДЕ? КОГДА? | ENIAC
Наверняка многие видели фотографию этой махины, поражающей своими размерами… На её фоне люди выглядят как метры с кепками! Разумеется, такая непростая, огромная и гениальная машина была создана отнюдь не для того чтобы бить рекорды Гиннесса по занимаемой площади… Обо всём по порядку.
История создания ЭНИАКа
ЭНИАК (на заморском — ENIAC, аббревиатура от Electronic Numerical Integrator and Computer — что в переводе: Электронный числовой интегратор и вычислитель) — первый электронный цифровой компьютер общего назначения, программируемый для решения широкого спектра задач, хотя первоначально предназначался для решения задач баллистики, т.е. задач военного характера.
В 1939 году началась Вторая Мировая война, а любая война — это не только противостояние армий, но и гонка учёных умов и технологий. Так, сотрудники Лаборатории баллистических исследований министерства обороны США, что в районе Абердинского полигона (штат Мэриленд), работали над созданием таблиц баллистики, в которых нуждались артиллеристы на полях сражений. Значение таблиц было очень велико: они помогали солдатам корректировать наводку орудия с учётом расстояния до цели, её высоты над уровнем моря, метеорологических условий, таких как температура воздуха, скорость и направление ветра и др.
В те времена, вышеупомянутые расчёты баллистических таблиц (т.е. таблиц стрельбы) проводились вручную на настольных арифмометрах силами особых клерков – компьютеров, преимущественно женщин. Чтобы рассчитать всего одну траекторию приходилось выполнять от 750 до 1000 арифметических операций, в то время как любая таблица включала в себя почти 2000 траекторий. С помощью дифференциального анализатора стало возможно ускорить расчёты, однако они были приближёнными, после чего уточнять их приходилось уже десяткам людей вручную.
В войну втягивались новые государства, площадь боевых действий разрасталась. Лаборатория, проводившая баллистические расчёты не справлялась и в итоге запросила помощь. Так, в расположенном неподалёку Высшего технического училища Пенсильванского университета, появился вспомогательный вычислительный центр. В училище был свой дифференциальный анализатор, однако, учёные вышеупомянутого университета, Джон Уильям Мокли (преподаватель, иногда пишут Мочли) и Джон Преспер Экерт (студент с отличными инженерными способностями) предложили более совершенное решение… Инженеры – воистину ленивые, но гениальные люди!
Джон Мокли, физик, по совместительству занимающийся метеорологией, давно задумывался о создании устройства, способного применить методы статистики для прогнозирования погоды. Ещё перед Второй Мировой он сконструировал несколько несложных цифровых счётных устройств на электронных лампах. Вполне вероятно, что его интерес к вычислительным машинам появился после визита к американскому учёному Джону Атанасову: в течении 5 дней Мокли мог наблюдать за работой Атанасова и его помощника Клиффорда Берри, которые трудились над прототипом компьютера с почти 300 электронных ламп.
Позже компьютер Атанасова-Берри спорил с ЭНИАКом за право называться первым компьютером, Атанасов утверждал, что Мокли, находясь у него в гостях заимствовал некоторые идеи, которые тот воплотил в своём компьютере. Так это или иначе на 100% неизвестно, а вот то, что именно Джон Экерт убедил Мосли в реалистичности воплотить в компьютере его идеи – чистая правда.
В августе 1942 года Мокли написал семистраничный труд «The Use of High-Speed Vacuum Tube Devices for Calculation», в котором он предлагал Институту построить электронную вычислительную машину, основу которой составляли бы вакуумные лампы. К сожалению, руководство Института не уделило вниманием работу и отправило её в архив, после чего следы труда теряются.
Сотрудничество Института Мура с Лабораторией Баллистики по вычислению таблиц стрельбы велось через Германа Голдстайна, капитана армии США, который до поступления на службу работал профессором математики в Университете штата Мичиган. В начале 1943 года из случайной беседы с работником Института Голдстайн узнал об идее электронного вычислителя Мокли и сразу же оценив значение предлагаемого проекта компьютера, начал хлопотать от имени военного командования, чтобы проект приняли к разработке. Они встретились и Герман предложил Джону составить и подать заявку в Лабораторию, ведь для постройки вычислительной машины требовались немалые средства. Мокли смог восстановить свой документ из 7 страниц, после чего работа закипела.
9 апреля 1943 года, в день, когда Д.Экерту исполнилось 24 года, армия заключила с учёными контракт почти на 400 тысяч долларов на создание компьютера ЭНИАК. По контракту машина называлась «Electronic Numerical Integrator» («Электронный числовой интегратор»), чуть позже к названию было добавлено «and Computer» («и компьютер»), в итоге получилась знаменитая аббревиатура ENIAC. Куратором проекта «Project PX» со стороны Армии США выступил уже знакомый Герман Голдстайн.
К февралю 1944 года были готовы все диаграммы и чертежи будущего компьютера, и группа инженеров под руководством Экерта и Мокли приступила к воплощению замысла в «железо». Сама группа, трудившаяся над проектом постепенно пополнялась и в итоге выросла до 50 человек. Главным консультантом проекта был, разумеется, Мокли, а Экерт, — главным конструктором. Коммуникабельный Мокли бил фонтаном идеи, а главные «практические руки», сдержанный и осторожный Джон Экерт, анализировал все мысли, те, что считал действенными, доводил до ума.
В январе 1944 года Экерт делает первый набросок уже второго компьютера с более совершенным дизайном, в котором хранение программы осуществлялось в памяти компьютера, а не формировалась с помощью коммутаторов и перестановки блоков, как в ЭНИАКе.
Летом 1944 года военный куратор проекта Герман Голдстайн знакомится со знаменитым математиком Джоном фон Нейманом и привлёк его к работе над машиной. Фон Нейман внёс свой теоретический вклад в проект. В итоге был создан теоретический и инженерный фундамент для преемника ЭНИАКа — следующей модели вычислительной машины под названием EDVAC (ЭДВАК) с хранимой в памяти программой.
В середине июля 1944 года Экерт и Мокли собрали первую пару модулей для сложения чисел. Соединив их, они выполнили простое умножение двух чисел: 5 и 1000. Получив верный результат, учёные продемонстрировали руководству Института и Лаборатории, а также всем скептикам, что электронная вычислительная машина может быть построена.
Конструкция машины выглядела довольно сложной. Планировалось, что она будет содержать почти 17,5 тысяч ламп. Такое большое количество ламп было связано с тем, что ЭНИАК должен был работать с десятичной системой счисления. Именно её предпочитал Мокли, считая что компьютер должен был понятен человеку. Однако, с этим были и свои проблемы: ламп было очень много, они перегревались и гасли. Выход из строя одной лампы, одного конденсатора или резистора влёк за собой остановку работы всей машины, а всего существовало
1,75 миллиарда различных вариантов отказа в каждую секунду. До сих пор человечество не создавало ни одного подобного прибора такой сложности и с такими жёсткими требованиями к надёжности. Чтобы хоть как-то понизить частоту выхода из строя вакуумных ламп, Экерт предложил подавать на них минимальное напряжение — 5.7 вольт вместо номинальных 6.3 вольта, а после выполнения расчётов ЭНИАК продолжал работать, поддерживая лампы в нагретом состоянии, чтобы перепад температуры при охлаждении и накаливании не приводил к их перегоранию. Результатом стало то, что за неделю сгорало примерно 2-3 лампы, а среднее время работы лампы составляло 2500 часов. Довольно высокие требования предъявлялись к отбору радиодеталей и качеству сборки. Тем не менее инженеры добились как минимум 20-часовой непрерывной работы ЭНИАКа без поломок. Это, конечно, не так много по нынешним меркам, но за каждые 20 часов работы вычислительная машина выполняла месячный объём работы механических вычислителей!
Для того, чтобы контролировать исправность аппаратуры, Джон Экерт разработал специальную программу: каждый из великого множества электронных компонентов 27-тонной вычислительной машины подвергался тщательной проверке, после чего они все аккуратно расставлялись по определённым местам, потом запаивались (а иногда далеко не один раз перепаивались). Конечно, такая работа напрягала каждого члена команды, включая даже Джона Мокли.
К осени 1945 года завершилась сборка ЭНИАКа, машина была готова к проведению первого испытания. Война к тому времени закончилась, к счастью для людей, однако машина не стала стоять без дела. Для ЭНИАКа была подобрана новая задача: расчёты возможности создания водородной бомбы. Характер задачи как раз показывал, что роль подобных вычислительных машин будет только возрастать.
Дж. Преспер Эккерт и Джон У. Мокли с компьютером ENIAC. Университет Пенсильвании, 1946
ЭНИАК в работе
ЭНИАК успешно прошёл испытания, обработав почти миллион перфокарт компании IBM. Будучи секретной разработкой для военных нужд, компьютер был представлен публике и прессе спустя несколько месяцев после окончания войны, зимой 1946 года. Размеры машины впечатлили окружающих: 26 метров в длину, высота почти 6 метров. Габаритами машина даже превысила знаменитый Mark-1 Говарда Эйкена почти вдвое, а по быстродействию почти в 1000 раз. Как заявил один восхищённый журналист: «ЭНИАК работал быстрее мысли!». Спустя несколько месяцев — 9 ноября 1946 года — ЭНИАК был разобран и сменил место прописки с Университета Пенсильвании на Лабораторию баллистических исследований Армии США, расположенную в г. Абердин, а 29 июля 1947 года он вновь был запущен.
В Лаборатории баллистики на ЭНИАКе выполнялись расчеты по проблеме термоядерного оружия, прогнозам погоды в Советском Союзе для предсказания направления выпадения ядерных осадков на случай ядерной войны (к тому времени уже началась холодная война), разные инженерные расчёты, и, собственно, таблиц стрельбы, в том числе ядерными боеприпасами…
Британский физик Дуглас Хартри весной и летом 1946 года решал на ЭНИАКе проблему обтекания воздухом крыла самолёта, движущегося быстрее скорости звука. Тогда данный вопрос был особенно актуален, авиатехника совершенствовалась, развитие летательных аппаратов ускорялось. ЭНИАК выдал Хартри результаты расчётов с точностью до 7 знака.
В 1949 году фон Нейман использовал ЭНИАК для расчёта чисел Пи и Е (числа Эйлера) экспоненты с точностью до 2000 знаков после запятой. Учёный проявлял интерес к статистическому распределению цифр в этих числах. Предполагалось, что цифры в этих числах появляются с равной вероятностью, из чего следует, что компьютеры способны генерировать действительно случайные числа, которые можно использовать как вводные параметры для вычислений методом Монте-Карло. Расчёты для числа Е были выполнены в июле 1949 года, а месяц спустя для числа Пи. Однако полученные результаты похвастаться точностью не могли.
На ЭНИАКе в 1950 году командой американских метеорологов и математиком Джоном фон Нейманом был произведён первый успешный численный прогноз погоды. Расчёты велись в течение 5 недель, а ещё несколько месяцев ушло на анализ и оценку результатов.
Не успел ЭНИАК вступить в полноценную эксплуатацию, как Мокли и Экерт засучив рукава уже работали по заказу военных над новой вычислительной машиной. Главный недостаток компьютера ЭНИАК заключался в трудном изменении вводимых в него инструкций (программы). Объема внутренней памяти машины едва хватало для хранения числовых данных, используемых в расчетах. Если нужно было перейти от вычислений таблиц баллистики к расчету параметров аэродинамической трубы, то приходилось бегать по комнате как при пожаре, подсоединяя и отсоединяя сотни контактов. В зависимости от сложности программы данная работа могла занять часы, если не дни. Это и стало достаточно веским аргументом, чтобы отказаться от попыток использовать ЭНИАК в качестве универсального компьютера.
Да, ЭНИАК нельзя назвать совершенным компьютером. Однако данная вычислительная машина создавалась в военное время в большой спешке с нуля при отсутствии какого-либо предыдущего опыта создания аналогичных устройств. ЭНИАК был построен в единственном экземпляре, а инженерные решения, воплощённые в ЭНИАКе, не были реализованы в последующих конструкциях компьютеров. ЭНИАК — компьютер даже не первого, а скорее «нулевого» поколения. Значение ЭНИАКа заключается просто в том, что он есть. Машина стала доказательством возможности построения полностью электронного компьютера, способного работать достаточно продолжительное время, чтобы оправдать затраты на его постройку и принести ощутимые результаты.
ЭНИАК проработал более 10 лет и был окончательно выключен 2 октября 1955 года в 23:45. Город Абердин. Лаборатория баллистики.
Дальнейшая судьба
После отключения ЭНИАК, разумеется, признали устаревшим и, как это часто бывает, к раритету отнеслись без должного уважения. Панели компьютера, коих было 40 штук, каждая из которых весила почти 390 килограмм, разделили и сложили без особой аккуратности. Части аппаратного обеспечения повезло, и она осталась в руках тех, кто мог оценить значимость вычислительной машины: инженер Артур Беркс подарил свою панель Университету Мичигана, в то время как Смитсоновскому университету удалось приобрести пару панелей для себя. Тем не менее, большая часть ЭНИАКа оказалась разбросана на разных складах, собирая пыль…
Неравнодушные люди, среди которых была Либби Крафт, начали поиски того, что осталось от легендарной машины. И уже тогда, когда Крафт, была готова прекратить поиски, один армейский чиновник «откопал» документы, повествующие о том, что часть панелей когда-то была перевезена с испытательного полигона в Абердине, в Форт Силл (штат Оклахома) в военный музей полевой артиллерии. Когда Либби обратилась в Форт Силл для наведения справок, куратор музея был удивлён, узнав что музей обладает самым большим в мире блоком ЭНИАКа, состоявшим из 9 панелей, которые хранились в пыльных деревянных ящиках. Любопытно, что представителям Форт Силла неизвестно, откуда у них почти четверть компьютера, часть которого была привезена с военного склада в Аннистоне, что в штате Алабама.
Крафт решила заключить сделку, согласно которой компания, где она работала, могла позаимствовать панели из Форта Силл в обмен на обещание отреставрировать машину до достижения внешнего сходства, когда компьютер ещё работал. Дэн Глисон, инженер Perot Systems, взялся вести проект, несмотря на то, что опыта была не так много. Однако, Глисон, быстро выяснил, что не сможет сделать так, чтобы полученная часть ЭНИАКа могла выполнять реальные операции. Причина заключалась в том, что для этого были необходимы все 40 панелей, кроме того были нужны тысячи новых компонентов, которые давно утрачены. Несмотря на то, что он смог добиться приличного вида аппарата, стало ясно что вычислить идеальную траекторию полёта снаряда как раньше – далеко не простая задача.
Новая жизнь компьютера ENIAC
Реставрация
Первым делом Глисон убрал косметические дефекты панелей – металл серьёзно проржавел. Одна из панелей была сильно повреждена и оказалась утраченной навсегда. Глисон отшлифовал панели пескоструйным аппаратом, после чего покрыл их чёрной краской устойчивой к высоким температурам. Когда краска высохла, Глисон с сыном начали кропотливо припаивать к панелям почти 600 новых ламп. Из-за того, что лампы были подключены к датчику движения, они начинали загораться в случайном порядке, как только рядом появится посетитель. Также Дэн добавил к аппарату большую стальную раму, которая не позволяла панелям опрокинуться, а выступающим по бокам лампам разбиться.
Новый, обновлённый ЭНИАК занял место в офисе Perot Systems в 2007 году, но его могли увидеть немногие – посторонним вход был воспрещён, однако некоторым энтузиастам удалось получить разрешение на экскурсии. В 2009 году всемирно известный гигант Dell поглощает Perot, тем не менее, компания объявляет о новом этапе поисков частей ЭНИАКа, посему настало время вернуть панели в Форт Силл… Целый пласт истории компьютеров весом более 3 тонн, обёрнутый в горы пузырчатой плёнки вернулся обратно в Оклахому. Дэн Глисон предусмотрел простые разъёмы типа «лопатка» для подключения ламп, а также довольно распространённые 12-канальные DMX-контроллеры, посему музей Форта Сил без особых проблем привести конструкцию в рабочее состояние.
Сейчас, музей находится в процессе приобретения дополнительных электронных ламп для того, чтобы придать аппарату более «натуральный» облик. Несмотря на то, что панели уже не смогут производить настоящие вычисления, это даже к лучшему, даже на банальное вычисление квадратного корня из сложного числа, вычислительная машина тратила почти 30 миллисекунд… Долго для нынешних «монстров», не так ли?
